Visualization of lithium-ion diffusion in cathode active materials particles in all solid-state battery

全固态电池正极活性材料颗粒中锂离子扩散的可视化

• 批准号: 22K05296
• 负责人: 石黒 志
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05296/
• 关键词: X線顕微分光; 全固体電池; X線結像結像顕微鏡; タイコグラフィ法; XAFS; リチウムイオン電池; X線タイコグラフィー; X線吸収微細構造; 化学状態イメージング

本年度の研究では薄膜型固体電池をターゲットに電池作動条件下、充放電過程での化学状態分布変化の可視化を各種X線顕微分光法(オペランドX線結像顕微鏡-X線吸収微細構造（TXM-XAFS）法およびオペランドX線スペクトロタイコグラフィ法)で目指した。薄膜全固体電池試料には正極にLiCoO2 （LCO）、固体電解質にLi1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12 （LATP）、負極に Fe2(MoO4)3 （FMO）が積層された構造のものを用意した。薄膜電池破片をステンレス製の計測用ホルダに接着し、集束イオンビーム加工（FIB）を用いて、電池断面方向からのX 線吸収量を XAFS 解析に最適になるように幅を共に 20 μm 程度に加工した。電池試料両極はポテンショ・ガルバノスタットに接続することで、充放電操可能になり、この試料をSPring-8に持ち込み、充放電過程を少しずつ可変しながら、薄膜電池試料断面方向からのCo　K端及びFe K端 吸収端近傍TXM-XAFS計測を行った。Co K端空間分解XAFSスペクトル解析からは正極LCO層の、Fe K端空間分解XAFSスペクトル解析からは負極FMO層の、Li挿入脱離に伴う化学状態分布の変化を可視化する事ができた。充放電状態が段階てきに変えて行くに従い、両極材料のLi挿入脱離メカニズムの違いから生じる、異なる電極層内の電解質側から集電体膜方向への充電度分布変化の傾向を捉える事に成功した。また同様な加工を行った電池試料をX線スペクトロタイコグラフィ法でもオペランド計測を実施し、正極でのより高空間分解な化学状態変化を可視化する事にも成功した。

This year's research focuses on visualization of chemical state distribution of thin film solid state batteries under battery operating conditions and during charge and discharge process by various X-ray differential optical methods (X-ray junction microscope-X-ray absorption microstructure (TXM-XAFS) method). The thin film all-solid-state battery sample has the structure of electrode LiCoO2 (LCO), solid electrolyte Li1 +x+ yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (LATP) and electrode Fe2 (MoO4)3 (FMO). Thin film battery fragmentation measurement process, cluster processing (FIB) process, battery cross-section direction, X-ray absorption, XAFS analysis, optimal processing, a total of 20 μm The battery sample electrode is connected to the battery electrode, and the charge and discharge process may be changed. The sample is SPring-8, and the charge and discharge process may be changed. The TXM-XAFS measurement is carried out near the Co K terminal and Fe K terminal of the thin film battery sample cross-section direction. Co-K-end spatial decomposition XAFS spector analysis includes the LCO layer of the electrode, Fe-K-end spatial decomposition XAFS spector analysis includes the FMO layer of the electrode, and the changes in the chemical state distribution associated with Li incorporation and detachment can be visualized. We have successfully captured the tendency of the charge distribution to change from the electrolyte side in the electrode layer to the direction of the collector film as the charge state changes step by step, the Li penetration of the cathode material becomes separated from the cathode material, and the charge distribution in the electrolyte side of the electrode layer changes. The X-ray detection method for the battery sample was successfully performed, and the electrode was successfully visualized by high spatial decomposition and chemical state transformation.

项目成果

Chemical States Visualization of Cathode Active Materials by X-ray Spectroscopic Ptychogrphy

通过 X 射线光谱 Ptychogrphy 实现阴极活性材料的化学态可视化

• 发表时间: 2023
• 作者: Ishiguro Nozomu;Takahashi Yukio;Hideshi Uematsu;Nozomu Ishiguro;Masaki Abe;Syuntaro Takazawa;Syuntaro Takazawa;Jungmin Kang;Itsuki Konuma;Naoaki Yabuuchi;Yukio Takahash;Nozomu Ishiguro
• 通讯作者: Nozomu Ishiguro

硬X線スペクトロタイコグラフィによるLi過剰不規則岩塩型酸化物のLi脱離反応分布の可視化

使用硬 X 射线光谱法可视化富锂无序岩盐氧化物中的锂解吸反应分布

• 发表时间: 2023
• 作者: 上松英司，石黒志;阿部真樹;高澤駿太郎，姜正敏;小沼樹;藪内直明;高橋幸生
• 通讯作者: 高橋幸生

Nanoscale domain imaging of Li-rich disordered rocksalt-type cathode materials with X-ray spectroscopic ptychography

利用 X 射线光谱叠层成像技术对富锂无序岩盐型正极材料进行纳米域成像

• DOI: 10.1039/d2cp04087e
• 发表时间: 2023
• 期刊: Physical Chemistry Chemical Physics
• 影响因子: 3.3
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio

Ptychography-XAFS Imaging of Li-excess Rock-salt Type Vanadium Oxide Particles Synthesized by Mechanical Milling

机械铣削合成的富锂岩盐型氧化钒颗粒的叠层照相术-XAFS 成像

• 发表时间: 2022
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio

Chemical Imaging of Li-rich Disordered Rocksalt-type Vanadium Oxide Particles Using Hard X-ray Spectroscopic Ptychography

使用硬 X 射线光谱叠层照相术对富锂无序岩盐型氧化钒颗粒进行化学成像

• 发表时间: 2023
• 作者: Uematsu Hideshi;Ishiguro Nozomu;Abe Masaki;Takazawa Shuntaro;Kang Jungmin;Konuma Itsuki;Yabuuchi Naoaki;Takahashi Yukio
• 通讯作者: Takahashi Yukio